超声波流量计诊断技术在天然气计量中的应用

高飞

(中石化西北油田分公司 油气运销部，新疆 轮台 841600)

中石化西北油田分公司油气运销部负责塔河油田天然气的输送及销售，计量销售主要通过流量计，所辖共计33处天然气贸易计量交接点均使用多声道超声波流量计。近几年，该公司天然气产销规模在不断增加，其中通过超声波流量计计量销售的天然气气量占比很大。2016～2018年该公司通过超声波流量计计量销售气量依次为9.9×108m3(占全年产量的90.8%)、1.02×109m3(占全年产量的81.6%)、1.1×109m3(占全年产量的81.5%)。因此，超声波流量计在天然气贸易计量中起到了关键性作用，其计量准确性及稳定性密切关系着该公司的经济效益。

1 超声波流量计诊断系统的建立及重要参数诊断

1.1 诊断系统的建立

库车门站为雅-库天然气外输系统的终端，设计输气量2.8×106m3/d，设计压力为4.0 MPa，主要向4家用户输气，是该公司天然气外销量最大的站库之一，目前外销量约为1.8×106m3/d，超声波流量计在天然气贸易交接站库应用以来，流量计的运行状态受到交接双方的广泛关注，根据近两年天然气外销的统计数据，与流量计制造厂商合作，优先选择在该门站建设超声波流量计远程诊断系统。

1.2 超声波流量计计量性能监控参数

1.2.1信号质量

信号质量是按通道标明脉冲的接收程度，每一个接收到的信号都用以流量计量，是体现仪表性能的重要参数之一。当出现以下情况时，信号质量可能会受到影响： 流动条件发生变化，即高流速状态下不同速度层之间的剪切作用，非规则流型，流量计腔体对外侧声道的边缘效应，严重的湍流等发生后，导致信号质量出现问题；受到外界环境噪音和超声声学噪音干扰；气体介质自身的条件，气体中存在的颗粒或者液滴以及换能器前端的污染物会使信号散射、消弱、衰减。

当信号质量小于100%，但是若在最大流量的50%时信号质量未达到100%，应核查超声波流量计[1]，可从减小流速、分析超声噪音产生的原因和途径、控制介质流动条件等方面排除超声波流量计的故障。

1.2.2增益值

增益值指增强换能器接收到的信号值后才能达到所需要的振幅强度。超声波流量计会根据信号强度的衰减情况自动调整增益值，以调整信号强度[2]，避免因为信号值波动导致漏检或者误判。

管道压力、气体流速、介质的脏污情况等是影响增益值的主要因素，当某声道的增益值超过阈值或过大时，说明超声波换能器所接收的信号过小，应清洗该声道探头，同时考虑拆检换能器并进行清洗或更换。

1.2.3信噪比

信噪比是接受到的信号值与背景噪声值的比率[3]。通常情况下，超声波流量计在正常工作时其信噪比值较高，当出现低信噪比时意味着背景噪音的出现，可能存在控制阀噪声或是超声波换能器脏污需要清洗等情况。

1.2.4声 速

声速是超声换能器发出的超声波在流体中的传播速度。声速的大小受气体组分、温度、压力的影响[4-5]。在理想状态下，若保证计算声速与测量声速准确，通过计算声速与测量声速偏差可以确定流量计计量的精确度，判断计量是否有偏差。

1.3 气体流动状态

超声波流量计的计量精度依赖于气体的流动状态，理想条件下，进入流量计的天然气流态应是对称的、充分发展的紊流流速分布，不规则的流态分布会影响计量的准确性。

1.3.1流速特性

流速特征包括各声道流速、平均流速以及流速剖面系数等，其中剖面系数是指靠近圆心的两个声道流速与外侧2个声道流速的比值[6]，四声道超声波流量计剖面系数的计算公式为

PF=(vB+vC)/(vA+vD)

(1)

式中：vA——流量计外侧上部声道流速；vB——靠近圆心处上部声道流速；vC——靠近圆心处下部声道流速；vD——外侧下部声道流速。

理想情况下的剖面系数为1.17。若剖面系数超出1.17±0.05(DN200管径以上)、1±0.05(DN200管径以下)时，可以初步判断为漩涡或上游整流器部分堵塞、管线流态不好，基于此，排查并处理故障。

1.3.2对称性、横流值、漩涡角、扰动值的计算

针对超声波流量计，制造厂商推荐对称性值应满足1±0.05，其计算公式为

Sym=(vA+vB)/(vC+vD)

(2)

横流值满足1±0.025，计算公式为

Cf=(vA+vC)/(vB+vD)

(3)

此时漩涡角小于2°，扰动值反映管道内部气体状态的参数，受气体流态、振动、温度、噪音等因素的影响，扰动值参考标准小于10%[7-8]。

2 远程诊断技术在天然气贸易计量中的应用

2.1 贸易计量诊断参数标准

自超声波流量计诊断系统投用以来，该公司计量人员每月定期进行声速核查以及流量计各参数诊断核查。以Daniel超声波流量计为例，对某用户超声波流量计计量管路进行为期约5个月的诊断与跟踪评价，对基本诊断数据进行统计如图1所示。

根据流量计厂商监测参数标准值的建议，对比诊断参数与监控参数标准值，发现流速剖面系数超过标准值，判断管道内流体流态发生较大变化，影响流量计的计量准确性[9]。后期清洗了超声波流量计探头，同时加装整流器，优化流体流态，运行参数恢复正常，流量计流态变化见表1 所列。因此长期跟踪超声波流量计运行状态可作为流量计生命周期管理、诊断、检维护的可靠依据。

2.2 超声波流量计诊断软件解决现场故障实例

库车门站计量岗人员反映某用户天然气流量计瞬时流量忽大忽小或无瞬时量的情况。通过MeterLink诊断软件对该流量计进行核查。该流量计A，C通道测量的流速在-30～20 m/s大幅跳动，D通道无任何信号，发生报警，推断出A，C，D 3个通道出现一定故障[10]。

根据以上数据基本判定A，C，D通道的探头受污染或损坏。采取相应措施，切换流程、泄压，现场拆解超声波流量计探头，发现4个通道探头被黑色粉末覆盖，有不同程度的污染，清洗探头后诊断数据显示各指标正常，超声波流量计运行正常。

图1 超声波流量计核查基本诊断统计数据示意

表1 超声波流量计流态变化对比

2.3 超声波流量计诊断软件解决计量纠纷

库车门站某用户反映该站计量数据比厂内的天然气总进站流量计计量数据高10%左右。双方人员核对两方的计量流程，通过诊断软件诊断超声波流量计运行状态，经核查该公司的流量计、压变、温变、运行状态都完好，流量计内径等各参数设置正确，计量系统通信正常，未发现影响计量准确性的问题。

同时对用户的流量计进行诊断，显示其厂内超声波流量计A，B，C，D 4个通道中，A通道无法测量流量，D通道声速、增益等指标超标，同时发现现场压力变送器与流量计算机的绝压程序不匹配。综合结果表明，用户厂内流量计的性能和压力变送器配置不正确导致计量不准确，是双方数据产生差异的根本原因。同时进一步说明超声波流量计诊断软件在处置现场故障和处理用户纠纷方面发挥了重要作用。

3 结束语

开展超声波流量计远程诊断以后，计量技术人员按时对超声波流量计进行诊断核查，保证流量计持续稳定运行，大幅提高了计量系统运行的可靠性，提高了计量精度和复现性，有效提高了天然气输差原因分析的科学性，同时降低了维护成本，为计量系统的稳定运行、提高计量管理工作的精细化管理发挥了重要作用。